硕士学位论文开题报告
多年冻土区浅埋建筑物水平冻胀力的理论研究
Theoretical study on horizontal frost heaving force of shallow buildings in permafrost regions
学院：土木建筑工程学院 专业：交通运输工程 班级：硕士1208班 学号：12125775 姓名：张国光 导师：田亚护
北京交通大学
2013年6月
目录
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题目来源 ......................................................................................................... 1 选题背景及意义 ............................................................................................. 1 2.1 选题的背景 .............................................................................................. 1 2.2 选题的意义 .............................................................................................. 2 3
文献综述 ......................................................................................................... 3 3.1 冻土研究概况 .......................................................................................... 3
3.1.1 国外冻土研究状况 ........................................................................ 3 3.1.2 国内冻土研究状况 ........................................................................ 4 3.2 冻胀的国内外研究概况 .......................................................................... 7
3.2.1 国外冻胀研究现状 ........................................................................ 7 3.2.2 国内冻胀研究现状 ........................................................................ 9 3.3 浅埋建筑物冻害研究现状 .................................................................... 11
3.3.1 浅埋建筑物冻害破坏特征 .......................................................... 11 3.3.2 浅埋建筑物冻害机理研究 .......................................................... 11
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研究基本内容及章节安排 ........................................................................... 16 4.1 研究基本内容 ........................................................................................ 16 4.2 拟定章节安排 ........................................................................................ 17 5 6 7 8 9
研究理论依据与关键技术 ........................................................................... 18 研究方法与技术路线 ................................................................................... 18 研究计划安排及工作量 ............................................................................... 19 预期成果及形式 ........................................................................................... 19 参考文献 ....................................................................................................... 19
1 题目来源
导师的国家自然科学基金项目：寒区浅埋工程构筑物的水平冻胀力实验及理论研究（41271072）
2 选题背景及意义
2.1 选题的背景
冻土，一般是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。温度在0℃或0℃以下，但不含冰的岩土和土壤，称作寒土[1]。冻土和其他岩土的根本区别在于冻土中由于冰和未冻水的存在，其性质及其复杂，且对温度十分敏感[2]。根据冻结状态持续时间不同，冻土可分为多年冻土、季节冻土和瞬时冻土。多年冻土是冻结状态持续多年的土，季节冻土是指冻结状态保持半月至数月的土，瞬时冻土是指冻结状态保持几小时至半月的土[3]。瞬时冻土存在时间很短、冻深很浅，对建筑物的影响很小。
多年冻土分布面积约占全球陆地面积的25%[1]。多年冻土主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地。中国的多年冻土面积占国土面积的22.3%，在世界上占第三位，其中高海拔多年冻土面积则居世界之最。我国多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山和青藏高原，并零星分布在季节冻土区内的一些高山上，多年冻土面积有2150000km2[1]。为开发冻土区，保证冻土上工程建筑物的稳定，合理利用自然资源，保护生态环境，冻土学的研究有着重要意义。
土工构筑物或各种建筑物地基土，因冻结及随后的融化过程所引起的构、建筑物的破坏，称之为土冻结（冰冻）作用灾害，简称为工程冻害[4]。在我国东北、华北、西北等地广泛分布着季节冻土，在大兴安岭、青藏高原及西部高山区分布着多年冻土。这些地区地表层都存在一层冬冻夏融的冻结-融化层。作为地基的冻结-融化层，在其冻融过程中土体性质的变化直接影响着上部建筑物的稳定性[5]。
随着大气温度下降，在地-气热交换过程中，使土体温度达到土中水结晶点时，此冻结-融化层便产生冻结。伴随土中孔隙水和外界水源补给水结晶而形成多晶体、透镜体、冰夹层等形式的冰侵入体，引起土体体积增大，导致地表不均匀的上升。这就是所谓的冻胀现象。土的冻胀是一个复杂的物理力学过程。在冻结过程中由
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于水热状态变化，引起土中应力的变化。在土的冻胀应力作用下往往可以使接触构筑物产生变形，以致破坏。多年冻土区浅埋工程建筑物常常会遇到土体冻结-融化所引起的变形、破坏等冻害问题。
我国的东北、华北和西北地区，由于受地理条件的限制，每年都有持续数月的严冬季节，使之季节冻土或多年冻土广泛分布。大量的工程实践证明，因气候寒冷、土质潮湿，我国冻土工程建筑物在冬季常有冻害发生，特别是在水利渠道、公路和铁路上造成严重的严重病害，带来的经济损失达到相当可观的数目[1, 4, 6, 7]。
为能顺利的进行工程建设，必须对冻土及其浅埋工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题作出解答，以确保冻土地基上工程构筑物的稳定性、耐久性及工程经济合理性。
研究工程构筑物的冻害破坏特性及其与冻土间的相互作用，以便提出控制、削弱土冻胀的方法和抗御冻害的有效措施，这是工程冻土学的主要研究任务之一。
因此，对多年冻土区浅埋建筑物的冻害特性进行研究有着十分重要的社会效益和经济效益，是值得研究的课题。
2.2 选题的意义
多年冻土区的开发和利用在我国经济建设中占有重要地位，对我国自然资源的开发和社会经济发展有广泛而重要的影响。浅埋建筑物的建设是多年冻土区工程建设中至关重要的一项内容，是重要的基础前提，而其病害严重影响了工程的正常运营，所以对多年冻土区浅埋建筑物的冻害特征研究具有较大的应用意义。
目前，建立在热量、水分、盐分、力和土质五大因素的控制和调节冻结和融化过程基础上的各种冻土改造技术措施已在世界许多国家蓬勃发展起来，并沿着四大方向正在进行：土层防冻、冻土解冻、构筑物防冻胀和融沉、盐渍土治理等。
冻胀问题是温度场、水分场、应力场等相互作用下产生的冻土现象和冻害表现形式。单一场的研究难以更深入揭示冻胀这一事物的本质和发展规律。有必要对基于多场耦合的冻胀理论进行深入研究。
因此，基于温度场及温度场、水分场、应力场等相互作用下研究寒区浅埋工程构筑物的水平冻胀力发生的机理及其特点和分布变化规律，不仅可对寒区工程冻土力学的理论起到补充，而且对于我国寒区道路、农田水利和交通工程的抗冻设计和养护都有直接的实际应用价值。
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3 文献综述
3.1 冻土研究概况
3.1.1 国外冻土研究状况
冻土研究始于16世纪，当时文献中已经出现有关西伯利亚和北美存在冻土的报道。18世纪中叶（1757年），前苏联学者M.B.罗蒙诺索夫曾发表“冻土地”的科学综述，对“冻土地”的形成及其气候、地形的关系提出看法。19世纪上半叶，人们已经初步获得了西伯利亚冻土层的温度、厚度、埋藏条件和分布情况的资料。与此同时，报道了北美哈得逊湾深处的岩石为永久冻结，埃什绍利茨湾沿岸有很厚的地下冰体。到了19世纪后半叶，西伯利亚工农业发展尤其是铁路的修建，极大推动了冻土研究。应西伯利亚铁路建设的需要，俄国地理协会制定并出版了《西伯利亚冻土研究指南》（1895年）。在这一时期，出版了很多关于冻土的报告和书籍，分别有《论西伯利亚的多年冻土》（1889年），《永久冻土和永久冻土上的建筑物》（1912年）等。1917年以后，冻土研究进入有计划、有目的的发展时期，1927年前苏联学者苏姆金撰写的《苏联境内的永久冻土》一书，标志着冻土学作为一门独立的学科已经问世。此后，《普通冻土学》（1940年）、前苏联科学院《冻土学原理》（1959年）、莫斯科大学教授《工程地质研究中的冻土预报原理》、《苏联冻土学》（1988年）等一系列专著的出版，显示冻土研究在前苏联已经达到较高的深度和广度。
二战前，北美人在多年冻土地区开采金矿，进行了一些有道路工程有关的冻土研究。二战中，由于亚北极地区军事工程建设受到冻土问题的困扰，迫使美军军事部门成立专门研究机构，对冻土进行大规模研究。1961年美国陆军部成立寒区研究和工程实验室，专门从事北极战争条件、房屋结构、道路工程等寒区工程研究。20世纪60年代末北极海发现大量石油，20世纪70年代阿拉斯加石油管道的修建，促使冻土研究迅速发展。
1963年，第一届国际冻土会议（International Conference on Permafrost，简称ICOP）的召开标志着冻土研究进入了新阶段。此后从1973年起每隔5年举行一次ICOP，交流各国冻土研究成果。
1978年在加拿大举行的第三届国际冻土会议上，14个国家的冻土学者在区域冻土、冻土现象、冻土热层等方面发表了150多篇论文。
1983年，举行的第四届国际冻土会议，由中、饿、美、加四国倡议成立了国际冻土协会（International Permafrost Association，简称IPA），国际冻土协会在第五
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届国际冻土会议期间成立了高山冻土及冰缘过程工作组，并于1991年、1992年分别在瑞士和加拿大举行了高山冻土与冰缘过程国际讨论会。在高山冻土与冰川、积雪及水之间的关系及相互作用方面，取得了一定进展。
1993年，在北京举行的第六届国际冻土会议上，全球变暖成为国际冻土界关注的焦点，俄罗斯学者认为：冻土是寒冷气候下的地质产物，其中所含冰对温度变化十分敏感。因此气候剧烈变化以及由此引起冻土中剧烈的冰-水相变将会导致如冻胀、冻裂、地下水融化、地表沉陷、热喀什特、融冻作用等冷水过程的产生，从而改变冻土的发展状况。而冻土状况的改变又将影响寒区生态环境及过程建筑
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。
2003年在瑞士举行的第八届国际冻土会议，阿根廷和美国学者采用物探方法
对南极冻土带厚度和分布研究进行了交流；丹麦和加拿大学者介绍了雪基温度建立的多年冻土分布模型；德国和瑞士学者研究了瑞士阿尔卑斯山地区人类活动对多年冻土的影响；美国和加拿大学者提出了气候影响下多年冻土模型。
2008年，国际冻土会议在阿拉斯加召开，我国冻土专家程国栋院士在会上作了题为《温暖冻土上建筑的创新设计》的报告，介绍了我国青藏铁路冻土工程的成功创举。
3.1.2 国内冻土研究状况
我国早在春秋战国时期就有关于季节性冻土冻结融化的记载，三国时期，古人已经采用冻结法施工。但关于冻土的研究在解放后才有起步。
解放后的十年（1949-1959年），东北冻土区地质矿藏调查、林业开发、铁路和公路修建以及工业和民用建筑物等各项生产建设的需要，大大促进了冻土科学的研究。1956年辛奎德、任奇甲发表了《中国东北地区多年冻土分布》一文，1957年铁道部根据勘测设计大小兴安岭森林铁路的经验，出版了《多年冻土的工程地质和铁路建设》（1958年）一书；与此同时，中国科学院地理研究所（1953-1954年）和北京市政工程设计院（1956年）进行了北京市季节冻结深度和道路翻浆观测研究；1954年青藏公路通车，青藏高原冻土问题引起交通、铁道部门的关注，1956年，铁道部开始勘测青藏线，对沿线冻土做初步调查。这段时间为我国冻土研究资料的积累阶段。
1960年，中国科学院成立冻土研究组，同铁道部高原铁路研究所一起，开展青藏公路沿线冻土综合考察。1963年，周幼吾等发表《青藏高原冻土初步考察》一文，首次向国内外报道了青藏高原多年冻土的分布特征、温度状况、厚度、组构、地下水及冻土地质地貌现象。1963-1964年，中国科学院开展了唐古拉山南麓
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西藏土门地区冻土调查研究，并建立了世界上海拔最高（4950m）的冻土长年观测站。1965年，在祁连山土里煤矿地区开展冻土和供水条件调查，并建立冻土长年观测站。同年，《青藏公路沿线冻土考察论文集》出版，对高原冻土分布及分区特征、冰原地貌、冻土区地下水、冰的结构以及植被进行了系统总结。与此同时，中国科学院和铁道部在大兴安岭牙林铁路沿线开展冻土和工程冻害调查，并对个别严重冻害地段进行观测。1966年，在兰州建成我国第一个有相当规模的冻土低温试验室。这一阶段结合生产实践，积累了大量冻土基本资料，野外工作已应用地球物理勘探方法，并初步开展冻土物理力学和热学性质试验，培养了一大批冻土科研人员，为我国冻土研究打下了良好基础。
20世纪60年代中期到70年代中期，中国科学院兰州冰川冻土研究所结合青海热水煤矿、格尔木至拉萨输油管道、南疆铁路等工程，作了大量现场调查和室内外试验、观测和研究工作，并积累了许多科学资料。1975年，兰州冰川冻土沙漠研究所出版《冻土》一书，介绍冻土知识和我国以往研究成果。1978年，我国参加第三届国际冻土学会议，并交流了学术论文[9]。
20世纪80年代到90年代，主要是进行我国冻土分布填土、冻土冻胀、冻土工程、冻土勘察等。主要研究成果包括：对区域冻土特征及其影响因素进行总结（1979年）；编制青藏公路沿线多年冻土分布图（1982年）；编制青藏高原冻土图（1996年）；关于天山、祁连山冻土研究包括总结了天山地区多年冻土分布发育特征及温度动态（1981年）；对祁连山地区多年冻土分布特征（1983年）及阿尔泰山冻土（1986年）进行了专门论述；有关东北冻土的研究，提出东北大小兴安岭多年冻土分区及特征，编制出东北多年冻土分布图（1981年）；总结出大兴安岭多年冻土地温特征（1982年）；明确了东北多年冻土南界位置（1993年）；1983年提出了1:4000000中国冻土分布图的编制原则和方法，明确划出季节冻土和瞬时冻土的分界线；1985年，由童长江、管枫年合作撰写的《土的冻胀与建筑物冻害防治》系统叙述了土的冻结、冻胀及冻胀力形成规律及形成过程，并对影响冻胀及冻胀力的土质、水分、温度和外部荷载等因素进行深入分析。1994年，由铁道第三勘察设计研究院编写的《冻土工程》一书出版，系统的介绍了东北多年冻土区修建铁路的经验和科研成果，同时也将工程中出现的问题以及行之有效的工程措施全面介绍给了读者。[10]这些成果反映了我国30多年来区域冻土研究的进展。此后又有《土体冻胀和盐胀机理》（徐学祖、王家澄等，1995年）、《多年冻土退化与道路工程》（臧恩穆、吴紫汪，1999年）等出版。
1998年《冻土地区建筑地基基础设计规范》和《水工建筑物抗冰冻设计规范》出版，并于2012年修订再版。
2000年，周幼吾、邱国庆、郭东信等合作撰写的《中国冻土》专著出版，该
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著作系统总结了新中国成立50多年来区域冻土学的主要研究成果，受到国内外冻土学者的普遍欢迎[1]。
2000年9月，国家几经论证，决定修建青藏铁路。2006年3月，青藏线全线通车，历时6年。围绕青藏铁路沿线进行了一系列冻土路基、边坡稳定、冻土性质等研究，其中由程国栋主持的“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应研究”，创造性地提出了“主动降温、冷却地基、保护冻土”的设计思路。试验与施工过程中，采用了片石气冷措施、碎石（片石）护坡或护道措施、通风管措施、热棒措施、遮阳棚、隔热保温措施等创新方法，探索出冻土工程系列技术方法，为我国冻土工程建设做出了重要贡献。
2001年，徐学祖、王家澄、张立新合作撰写的《冻土物理学》出版，该书搭起了我国冻土物理学的框架，给从事普通冻土学、工程冻土学、土壤物理学等科学的专业工作者和师生们提供了入门向导。2010年该书再版，从传热学的角度，在热传导机制的基础上，对对流和辐射机制及其在工程中的应用进行了补充，丰富和深化了冻土物理学的内涵[3]。
2006年，陈肖柏、刘建坤、刘鸿绪等合作撰写的《土的冻结作用与地基》专著出版，该专著全面系统总结了国内外冻土力学及地基工程的基本理论与应用研究成果，是工程冻土领域专家门四十多个春秋辛勤劳动的成果[4]。
2009年，赖远明、张明义、李双洋等合作撰写的《寒区工程理论与应用》反映了寒区工程方面的最新理论。书中一方面讨论了在无法人为改变外界气候条件的情况下，如何采取各种有效措施，尽量消除或减轻冻害现象的发生，保持寒区工程的热学、力学稳定性，从而实现寒区工程的安全稳定。书中另一方面讨论如何分析寒区工程的温度和力学特性，为设计部门提供计算理论[2]。
目前，我国冻土研究在国际上占有重要地位。近几年在冻土物理、化学及力学性质研究方面取得了重要进展。对冻土中溶质迁移、成冰及冻胀机理提出了一些新的概念；对土冻融过程中热、力及水相互作用数值分析和理论研究取得了新的成果；对土冻融过程中微观结构变化及其特征的研究取得新的进展；对冻土中碳水化合物形成条件及其基本性质进行深入研究，为寒区地下能源的调查与开采提供科学依据；对冻土流变机制、屈服准则及本构关系提出新的认识；对冻土在应力作用下的微观结构变化、损伤理论及物理蠕变模型的研究有突破性进展；对冻土在动荷载作用下的性能研究有新的进展；提出了预报冻土长期强度的一些新方法（如时间-温度比拟法的热力学方法等）；对含盐冻土等特殊土质的物理、化学及力学性质研究取得了一批新成果。
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3.2 冻胀的国内外研究概况
3.2.1 国外冻胀研究现状
17世纪后期，人们开始注意到冻胀这种自然现象，并认为冻胀是由于土弯曲变形引起的[11]。1885年，俄罗斯学者提出了水分迁移理论“冻结孔隙的毛细管理论”，第一次提出土冻胀是由于水沿裂隙和“冻结孔隙”形成的毛细管上升而产生水分向冻结锋面迁移引起的。此后人们才认识到水分迁移是导致土体冻胀的主要根源。
1916年，美国人泰伯提出水分是在结晶力作用下发生迁移，在结晶力作用下，大孔隙从没有结冰的小孔隙吸取水分，使大孔隙冰晶体不断增大产生冻胀。关于地基土的冻胀和融沉课题，真正和工程联系起来研究，是19世纪30年代以后，前苏联在远东多年地区修建第一条铁路暴露出很多冻害问题，迫使人们把研究的重点集中在冻、融现象与建筑物基础之间的相互作用上，前苏联投入大量人力物力对冻融现象、机理进行科学试验和系统研究，使其在该领域一直处于领先地位
[10]
。
20世纪30年代后期，美国学者通过观察冰形成的过程，认为自然条件下土分
散性与毛细管作用紧密相关，并提出将毛细水上升高度与地下水、土粒性质综合起来评价土的冻胀性[11]。
20世纪50年代后期，冻土研究工作在世界范围内得到迅速发展。1957年，美国学者提出将土中水分迁移和冰析出同土的分散程度和孔隙率紧密结合起来的假说。1958年，另一个美国学者对冻土水分迁移机理的论述中，认为按照土孔隙率，冻结土中水分迁移借助一薄膜机构、毛细管机构、蒸汽机构共同作用。而最有效的是毛细管-薄膜机构，它为冻土带中生长起来的冰晶提供水分补给。1955年，毛细理论即第一冻胀理论被提出，一度被广泛接受并发展很快[12]。然而该理论不能解释不连续冰透镜形成原因及低估了细粒土中的冻胀压力[13]。
1972年，Miller提出了第二冻胀理论，该理论认为:在冻结锋面和最暖冰透镜体底面存在一个低含水率、低导热率和无冻胀带，称为冻结缘。冻结缘克服了毛细理论的不足，得到了广大学者的认可[14]。随后Konrad、Gilpin、Penner、Akagawa及Takeda等冻土界学者分别从不同角度对冻结缘形成、发展及特征进行试验和理论分析，发表了大量论文[15]。1973年，前苏联学者崔托维奇《冻土力学》一书出版，该书系统地论述了冻土力学试验、理论和实际应用，标志着冻土研究领域进入新的发展阶段[6]。
Harlan（1973年）首次提出了正冻土中热质与水分迁移相互作用的耦合冻胀
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模型，该模型建立在部分已冻土未冻水运移与非饱和土水分迁移基础之上，忽落了土中冰与水相互作用，是一种水动力学模型，没有讨论不连续透镜体的形成，不考虑外部荷载，只是假设当含冰量达到临界值时才会发生冻胀[16]。随后有学者在这种思路下提出了各种类似的模型如Sheppard（1978年）、Jansson&Halldin（1979年）、Fukuda（1982年）、Flkuda&Nakagawa（1985年），这些模型的一大缺点是无法描述冰透镜体产生的离散型。
根据第二冻胀理论，O’Neill等于20世纪80年代提出了刚性冰模型。该模型认为冰水相之间的压力是其最重要的参数之一，且在冰缘内当有效应力足以抬起上部荷载时，新的冰晶体就会形成。20世纪80年代与刚性冰模型并驾齐驱的还有分凝势模型，Konrad把分凝势定义为水分迁移通量与通过冻结缘温度梯度的比值。
1989年，Duquennoi首次提出热力学模型，后经Fremond和Mikola改进发展（1991年）。模型在冻土微元体中土、冰、水三相介质的质量守恒、能量守恒及熵不等式理论基础上，提出了多相介质相应自由能和耗散能表达式与多项介质的本构方程。
1997年，在国际地层冻结和冻结作用会议上，日本学者Yoshiki Miyata基于水分迁移、热量运输和机械能平衡方程，提出宏观冻胀理论。该理论认为：冻结缘可分为次冷带和平衡带，次冷带包含冰透镜体形成锋面，有冰分凝；平衡带包含冻结锋面，只有原位冻结[17]。
2000年，在国际地层冻结与冻结作用会议上[18]，CamesPintaux对道路冻结过程中的热参数进行了定量计算，发现导热系数和含水率是两个非常重要的参数，对流交换系数及初始稳定状况在路基水热性质随气候变化中起到作用作用；Watanabe认为临界冻结速率与冻结锋面处的颗粒含量有关；Akagawa提出静态冻胀控制理论并通过试验加以验证；Gustavsson给出了冻结指数和冻胀的分布规律，基于概率分析法提出评估冻害发生的方法，基于费用分析提出道路非冻胀敏感性土层的最佳厚度。
2002年，在召开的第五届冻土工程国际学术讨论会上，各国学者分别针对土的物理力学特性、多年冻土区工程建筑开发、有用矿床中的冻土问题及道路建筑四个专题进行了讨论[19]。
2003年，在第八届国际冻土会议上，俄罗斯学者V.Ulitsky认为俄罗斯铁路路基变形主要表现为冻胀和融陷，并运用泡沫聚乙烯作为保温层材料来减小路基变形；英国学者M.C.R Davies等人通过试验研究了岩石边坡的破坏机制，认为岩石接缝处冰温度的升高导致剪切强度降低，造成边坡失稳。
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3.2.2 国内冻胀研究现状
我国对冻胀的研究始于20世纪50年代，主要是通过对冻害道路的野外调查及室内试验，分析冻胀破坏原因，提出了加强保温与选择好填料两大措施。20世纪60年代，我国的冻胀研究先后在中国科学院兰州冰川冻土研究所及公路、铁路、水利、工民建等部门研究所、大中专院校开展来，分别在东北、华北、西北和青藏高原建立冻土观测场数个，开展冻胀观测和试验。
1965年，全国道路冻害防治会议上，交通部研究院等单位针对不同道路的水文地质条件类型，提出了路基水分积聚计算公式，总结了灰土垫层，石灰与砂桩在改善路基水温状态，减少道路冻害方面取得的成功经验。
20世纪70年代初期，根据青藏公路、铁路的建设、运营与科研实践，总结提出了我国第一部冻土地区铁路勘测设计文件，东北地区也对多年冻土与翻浆冻害地区的公路设计做出了规范性规定。
20世纪80年代，冻胀研究转向机理和防治措施研究，具体成果表现在以下研究成果的出版与公开发表。1983年，赵云龙出版了《铁路路基冻害及防治》，书中系统论述了铁路路基的冻害和防治措施。1985年，童长江、管枫年出版《土的冻胀与建筑物冻害防治》一书，书中系统论述了建筑物冻胀机理及冻胀控制措施。1985年，编制了《中国公路自然区划图》，根据气候、地形、地貌、地质等特征，划分出三级区划。1989年，中国科学院兰州冰川冻土研究所出版了《冻土的温度水分应力及其相互作用》一书。1991年．徐学祖、邓友生等人出版了《冻土中水分迁移实验研究》一书。
公开发表的论文主要有：1981年，吴紫汪等人撰写的《土的冻胀试验研究》，对土的冻胀机制、动力机变化规律进行研究，为道路工程的冻胀成因、分类和病害防治措施的制定提供了理论依据。1981年，刘鸿绪发表的《法向冻胀力计算》，提出了用层状空间半无限直线变形体力学分析来解决季节冻土区的法向应力问题
[20]
。1982年，吴紫汪发表《冻土工程分类》，根据冻土冻胀、融沉及强度之间的联
系，提出冻土综合分类表[21]。1983年，孔庆铨发表《素混凝土衬砌渠道地基冻胀土壤的分级及防冻害措施》，提出了不同土质条件下地下水埋深对冻胀影响的定量关系图，并通过分析观测的数据资料，给出了不同土质的冻胀率经验公式。同年，陈肖柏等人发表《冻结速率与超载应力对冻胀的作用》，提出任何地基土都要承受上负荷载作用，因此必须考虑超载对冻胀性的影响，通过冻胀观测场地研究了荷载对冻胀的抑制作用并提出了经验公式。1985年，徐学祖等人发表《土水势、未冻水含量和温度》一文，认为水分迁移是由土水体系中的水处于不平衡状态引起的，这种不平衡状态是由许多包括物理、物理化学、力学和水分迁移期间产生的
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其他过程综合作用的结果。除重力水外，土中各种水都受到矿物颗粒表面能的作用[22]。1988年，陈肖柏等人发表《砂砾料之冻胀敏感性》，得出饱水砂砾料冻结时冻胀敏感性主要受细粒土含量及冻结条件的影响[23]。同年，朱强等人发表《论季节冻土的冻胀沿冻深分布》，根据长期观测，得出了4种冻胀沿深度分布的类型及其与地下水位和土质条件的关系[24]。
1990年，刘鸿绪发表《对土冻结过程中若干冻胀力学问题的商榷》，认为冻胀力与冻胀量没有直接关系。该论文提出冻胀性土冻结时，先产生水平冻胀压应力，随后该压应力逐渐减小，并过渡到冻缩温度拉应力，最后出现地裂缝，土冻胀性越强，裂缝出现的越迟[25]。
1997年，在国际地层冻结和冻结作用研讨会上，徐学祖等人提出冻结缘的厚度取决于冻结速度和冻胀速度两个变量且具有随冻结历时增大、恒定和减小三种模式[17]。
2000年，在国际地层冻结和冻结作用会议上，高伟对路基材料粉煤灰的冻胀规律进行了对比；陈相生等人考虑离心力的影响，建立了地基冻胀融沉试验模型
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。何平等人分别对饱和土的水热力场及冻结缘特征进行了研究[15]。
2003年，第八届国际冻土会议上，程国栋院士综述青藏铁路所面临的一系列
问题，提出了保护铁路路基稳定性的工程措施，从对太阳辐射的控制、对流的控制提高路基高度及加铺保温隔热层等方面对路基进行保护。
2004年，南京林业大学利用人工冻结对淤泥质粘土、淤泥质粉土开放和封闭系统冻胀试验，研究了冷端温度、含水率、干密度、上部荷载四个因素对冻胀率的影响规律。西南交通大学围绕模拟冻结锋面的冻土模型进行分析，基于弹性理论对路基在冻胀和融沉时的应力场进行了数值分析。
2005年，安徽理工大学利用粘弹性理论研究了冻土本构方程，西安建筑科技大学采用考虑破坏的热弹性力学分析多年冻土路基变形分布和演变规律[27]。
2007年，西南大学研究了季节冻土冻胀和融沉与土质、密度、含水率等性质的关系；兰州大学利用神经网络研究了饱和冻土和非饱和冻土水分迁移预测模型。
由以上国内外冻土冻胀的研究现状来看，目前对于冻胀的研究，国内外学者均开展了大量的工作，主要是研究引起土冻胀的土质、温度、水分、应力及水分迁移问题，水分迁移驱动力，迁移系数及迁移量等[3]。
对冻胀理论的研究为工程冻害分析提供了理论支持，为浅埋建筑物冻害分析及处置措施提供了理论依据。
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3.3 浅埋建筑物冻害研究现状
3.3.1 浅埋建筑物冻害破坏特征
在同一地质及水文地质条件下，浅埋建筑物的材料和断面形式不同，其冻害程度和破坏形式也不相同，童长江、管枫年在《土的冻胀与建筑物冻害防治》中综述了我国浅埋建筑物的冻害及其表现的破坏特征，主要取决于土质、水分、温度和建筑物结构形式等条件。其中温度是前提，水分是核心。土质主要是指土颗粒的矿物成分、机械成分（粒径组成）、水理、热学和物理化学性质；水分主要是指土中水的含量及补给情况；温度主要是指温度的高低及时空变化。
冻胀产生的基本条件和影响因素中易冻胀的土质、水分（土中水分及外界补给水分）及土中的负温值是产生冻胀的三大基本要素，如能消除或削弱上述三个因素中的一个，原则上可以消除或削弱土体的冻胀。消除或削弱冻因措施可采用换填法、物理化学法、保温法、排水隔水法等。例如，换填法主要是用粗颗粒不冻胀土换填渠床活动层冻胀性土，消除或减小冻胀力。保温法主要是设置隔热层，减小季节融化层的厚度，从而减小冻胀力。
结构措施主要是指根据构筑物的重要程度、运用年限、运用条件及结构特点等分成允许冻胀变形和不允许冻胀变形两大类。对这两大类不同的构筑物，采取不同的设计原则和防冻害的结构措施。结构措施主要是采用柔性结构，增大变形能力，减小对周围土体冻胀的约束，从而减小冻胀力。
在实际工程中，要求工程师能根据土体冻胀规律及构筑物所在地点的土质、水分、当地材料、构筑物的运营条件及结构特点灵活应用防治冻害的方法，并能将各种方法巧妙的结合，即善于采用综合的防治冻害措施。
3.3.2 浅埋建筑物冻害机理研究
土冻结时，由于土温降到土壤水的冰点以下，孔隙水将原位冻结，相应体积膨胀；并在热力梯度诱导下，土层中应力状态发生变化，如孔隙水压力、附加应力、冰压力及有效应力的相应变化，出现第二冻胀理论所描述的关于当某层土中的有效应力等于零时出现冰透镜体。在冻结过程中未冻区中水分不断向冻结前缘迁移，并通过冻结缘区域向冰透镜体聚集，即所谓热力诱导复冰现象，从而出现冻胀变形。当土体的冻胀变形受到建筑结构的限制时，甚至不允许土冻结出现冻胀时，则建筑物将受到土体冻胀力的作用。研究表明，土的自由冻胀量被约束的越多，则土冻结时对建筑物作用的冻胀力就越大。
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土体的冻胀力值是寒区工程设计的重要参数，冻胀力是土冻结过程中各种因素综合作用下形成的，受到多种因素的影响和制约，主要因素包括土的性质、土中水热状态、土体的冻结条件、建筑物基础的材质、表面的粗糙度、基础的面积等。鉴于土体冻胀力的影响因素的复杂，目前在理论上分析计算土体冻胀力的方法还没有，国内外关于土体的冻胀特性研究主要集中在土的冻胀特性、水分迁移及冻害及防治方面[2, 5, 15, 28-31]，土体冻胀力的计算理论目前仍处于探索阶段。国内外各国寒区构筑物的抗冻设计基本都是采用野外实测与实验室测定的方法来确定土体的冻胀力值，给出供设计使用的数值表，列入国家规范或设计手册。
在法向冻胀力的研究方面，崔托维奇[6]总结了正冻土的性质（包括土的分散性、吸附能力等）、含水量、外界冷却温度、建筑物基础下垫土层的压缩性、作用于土层的外荷载及承受冻胀作用的建筑物的刚度对其的影响，同时也指出外压力可降低甚至抵消土体的法向冻胀力。早些时候我国许多部门，如中国科学院兰州冰川冻土研究所、铁道部西北科学研究所、吉林省水利科学研究所及黑龙江省寒地建筑科学研究院等通过在现场长期观测，为我国各类规范的制定提供了大量实测数据。刘鸿绪[20, 32]提出双层地基的计算理论来解决季节冻土地区的法向冻胀力问题，即将冻土与未冻土是具有两种不同弹性特征参数的两层土壤，通过理论分析计算得出土的法向冻胀力与土的冻胀率及冻深有密切的函数关系。Anatoll Brouchkov[33]通过试验分析了不同力学性质的土对冻胀力的影响。姜龙[34]通过室内试验分析了低液限黏土在冻结过程中产生的法向冻胀力与土体的温度、含水量、干密度、冻胀率等因素的关系。
丁靖康[35]和童长江[36]分别通过现场试验测试研究了不同条件下基础的切向冻胀力，分析了基础切向冻胀力发生及发展的条件，并分别给出了细颗粒土和粗颗粒土冻结时其产生的切向冻胀力变化规律，总结了土中水分、基础材料对切向冻胀力的影响。盛鸿飞[37]总结了切向冻胀力沿垂直方向分布，但并非沿冻深呈正比例增长，一般超过冻深50%后就变缓慢，而且同一类别土在不同冻深处其单位切向冻胀力也并不相同。郭红雨[38]采用经典欧拉弹性稳定理论并建立了冻土地区自由桩稳定理论的能量方程，通过数值计算分析了冻土地区影响桩基稳定性的主要因素。国外俄罗斯的学者则根据观测结果，按土的稠度值并结合不同土类地下水位离冻深的距离来确定切向冻胀力值得大小[4]。
对于水平冻胀力的研究，早些时候我国科研人员通过寒区的采暖建筑物基础及支挡建筑物，认识到由于热流方向与基础侧面斜交或垂直结构物侧面，从而产生沿水平方向且垂直于基础或结构物侧面的冻胀力；并且有时水平冻胀力可能较库伦压力要大几倍甚至十几倍。丁靖康[39, 40]在青藏高原多年冻土现场对“L”型挡墙和层叠式分层钢筋混凝土挡墙进行了水平冻胀力实验观测，根据结果分析了水
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平冻胀力变化趋势，并给出了水平冻胀力与墙后土体类型及沿墙高度的变化规律，为我国寒区建筑物抗冻设计规范的制定积累了丰富的资料。隋铁龄[41]在东北季节冻土区通过现场修建1.6m高的全约束状态层叠对称式挡土墙，实测了竖直挡土墙后分层水平冻胀力值，总结了季节冻土区挡土墙后水平冻胀力的分布规律及发展过程，并分析了墙后土体冻胀的影响范围。刘鸿绪[42]通过对季节冻土区采暖房屋基础水平冻胀力的测试，证明了土体温度及冻结深度对水平冻胀力的影响，并给出了采暖房屋基础水平冻胀力的计算方法。李长林[43]通过对季节冻土区墙高3.25-7m之间的锚定板挡土墙后水平冻胀力的室内外试验，分析了锚定板挡土墙后水平冻胀力的分布规律。
近年来，梁波[44, 45]通过在青藏高原多年冻土区对高度5m的“L”型挡土墙的冻胀压力的测试和受力分析，并提出考虑多年冻土特点的土压力修正分析模型。刘长荣[46]总结分析了热流传导方向对冻土区水平冻胀力的影响。姚直书[47]根据相似理论，通过室内实验进行了深基坑排桩冻土墙围护结构的冻胀力实验研究，实验结果表明随着深基坑开挖的卸压作用，桩上受到的水平冻胀力呈现减小趋势。张学强[48]通过对煤矿井筒在冻结法施工时地层冻结过程水平冻胀力的实测，分析了深地层下水平冻胀力随深度的变化。
由于土质、水分及土温是影响冻胀力的主导因素，目前各国寒区工程构筑物的抗冻设计规范中在确定冻胀力数值时，基本都是以地基土的土性作为分类条件，然后根据水分状态或土的冻胀性，按天然条件下地基土可能出现最低负温值时的最大冻胀力作为设计选值。我国先行的《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ 118-2011）中水平冻胀力的计算，仅根据寒区挡土墙这种结构工程的研究成果，且采用墙后土的冻胀性及给出的墙后3种不同形式冻胀应力分布图来确定; 《渠系工程抗冻胀设计规范》（JGJ 118-2011）和《水工建筑物抗冰冻设计规范》（GB/T 50662-2011）中对于工程建筑物水平冻胀力的计算，也参考了（JGJ 118-1998）中挡土墙后冻胀力分布特点并以合力相等且力矩平衡并保证最大单位水平冻胀力作用点不变的原则，通过线性简化给出不同冻胀性土体下的构筑物单位面积上的水平冻胀力值。
根据对青藏铁路、青藏公路及青海境内214国道多年冻土区的工程建筑物调研发现，位于位于多年冻土区内许多埋深较浅的构筑物都受到水平冻胀力的破坏。如青藏铁路路基坡脚附近的钢筋混凝土U型和梯型两种排水沟许多都出现水平剪切裂缝（见图2），其埋深仅0.7m；青藏公路和214国道中许多涵洞进出口处的“八字”斜翼墙也在冬季发生开裂。王怀祖[49]报道的我国寒区机场排水系统的一些混凝土带盖明渠和箱形排水明渠，由于水平冻胀力的影响，导致沟壁倾斜、位移、断裂，甚至有的箱形混凝土明渠，由于两侧土的水平冻胀力的作用，顶盖产生负
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弯矩，将顶盖向上折断。张茹[50]、何武全[51]、陈亮[52]等报道的我国寒区农田水利上的混凝土预制、现浇和浆砌渠道都遭受严重的冻害。
图1 青藏公路涵洞出口 图2 排水渠道的冻胀破坏
图3 青藏公路涵洞内部的破坏 图4 边坡破坏
图5 冻胀引起L型挡土墙的外移
水平冻胀力根据力的作用性质可分为平行水平冻胀力和垂直水平冻胀力两
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类，（如图5），平行水平冻胀力的特点是，冻胀力的作用方向与冻结平面平行，而垂直水平冻胀力其作用方向与冻结平面垂直，这两者在性质上有很大差别。垂直水平冻胀力一般出现在地表有较大高差的突变处，一般设置支挡结构时所考虑的那种水平冻胀力即垂直水平冻胀力。
图5 水平冻胀力 （I为平行水平冻胀力，II为垂直水平冻胀力）
寒区工程构筑物的水平冻胀力的基本影响因素有以下三方面[53, 54]：
第一是土的冻结状态：由于冰晶增长方向与热流的方向一致，因此土体冻结时冻胀力只能沿热流方向出现。在土体冻结时，土体不同方向上的冻结速率的快慢直接影响冰晶的形成、分布和增长速度，从而可导致冻胀力的不同。
第二是对冻结土体的约束程度：当土体冻胀不受到物体约束时则没有冻胀力，而宏观上只表现为土体的冻胀。对于冻胀土体有约束（约束物体有变形）的物体所承受的冻胀力则随约束程度而改变，而冻胀土体所受约束直接与建筑物的结构特性密切相关。
第三是土的冻胀性：建筑物水平冻胀力是土冻胀受到建筑物约束的作用，反过来土体冻胀的强弱直接关系到建筑物水平冻胀力值得大小。而土的冻胀强弱程度与温度、土质、水分关系极为密切。
对于寒区工程如道路交通工程中的排水沟渠、农田水利部门的混凝土盖板明渠和箱形排水明渠等构筑物来说，这些工程一般情况下埋入天然地表以下的深度都较浅。而这些工程一般在设计阶段往往不太重视，而实践证明在寒区这些工程投入使用以后恰恰是养护维修的一个重点，每年都有许多部分因水平冻胀引起构筑物变形、破损而影响其使用性能，需要大量财力投入重复性的维修工作。
根据对既有研究文献的收集，几年来国内外有关土体冻结时产生的冻胀力相关的研究报道并不多，尤其在水平冻胀力方面的研究报道更少。目前我国各部门设计规范中的建筑物水平冻胀力的计算，都是基于挡土墙的研究成果来确定。而对于上述这类浅埋工程构筑物来说，一方面由于其结构构造形式与挡土墙不同，再加上其埋深较浅，其周围土体冻结时在各方向冻结速率与挡土墙后的土体冻结
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状态会有差异，从而影响浅埋构筑物后土体的单向冻结去与双向冻结区的分布，会导致周围土体产生的水平冻胀力的大小及分布发生变化，即以水平冻胀力为主还是以垂直冻胀力为主。另一方面，挡土墙的允许变形较小且在垂直地表方向不能自由运动，其对冻胀土体来说几乎接近刚性约束，而寒区浅埋工程构筑物相对挡土墙来说自重较轻易受法向冻胀力影响，其对周围土体的约束与挡土墙也有所不同，所以即使相同冻结条件下土体产生的水平冻胀力的值也不相同。因此，研究寒区浅埋工程构筑物的水平冻胀力发生的机理及其特点和分布变化规律，不仅可对寒区工程冻土力学的理论起到补充，而且对于我国寒区道路、农田水利和交通工程的抗冻设计和养护都有直接的实际应用价值。
4 研究基本内容及章节安排
4.1 研究基本内容
多年冻土与浅埋建筑物之间的相互作用计算十分复杂，不仅与浅埋建筑物结构及材料特性有关，而且与水分、温度、应力分布、土质、冻结速率等因素有关。
本论文拟结合国家自然科学基金项目“寒区浅埋工程构筑物的水平冻胀力实验及理论研究”，以多年冻土区浅埋建筑物为研究对象，进行不同温度、不同含水量填土等情况下的数值模拟。
针对浅埋建筑物与多年冻土相互作用，建立冻结过程中的温度场、应力场的数学模型，并给出了相应的有限元解法，利用COMSOL进行浅埋建筑物冻胀热应力耦合分析，得出渠道冻胀温度场、应力场、变形场分布规律，预测冻胀变形，分析不同设计情况下的结构稳定性。
为此，本文计划主要进行以下工作：
（1）根据既有研究成果及多年冻土区浅埋建筑物的冻害调查，分析建筑物病害特点及影响因素。
（2）根据既有研究成果及多年冻土区公路建设和养护技术交通行业重点实验室青海研究观测基地内的实际工程条件，建立浅埋建筑物的温度场、应力场有限元计算模型。
（3）采用有限单元法，利用COMSOL软件对多年冻土区浅埋建筑物中的温度场、应力场进行分析，研究浅埋建筑物的冻结过程及水平冻胀力的特点。
（4）根据不同工况下的有限元计算结果，总结分析多年冻土区浅埋建筑物的水平冻胀力形成机理及影响因素。
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本论文拟结合有限元理论进行建模分析，总结分析浅埋工程构筑物的水平冻胀力的影响因素和特性，通过研究得出寒区浅埋工程构筑物水平冻胀力的产生机理、特点与分布变化规律及影响因素；总结出寒区浅埋工程构筑物所受水平冻胀力的确定方法。
4.2 拟定章节安排
第一章 绪论
第二章 多年冻土区浅埋建筑物的冻害特点及影响因素分析
根据既有研究成果及多年冻土区浅埋建筑物的冻害调查，分析建筑物病害特点及影响因素。
第三章 多年冻土区浅埋建筑物的冻结过程有限元分析
（土在冻融过程中的温度变化规律）
对于多年冻土区浅埋建筑物冻害而言，土体中的水热变化是导致其发生病害的主要原因。冻土的热状况决定了地基土中水分的分布，进而影响土体中应力的重分布。因此，冻土温度场的稳定性决定了多年冻土地区路基的稳定性，路基及地基土体内温度场变化的分析，是研究冻害形成机理的基础，也是确定冻害防治措施的重要分析方法。本章拟在建立伴有相变的冻土温度场有限元数值模拟的基础上，通过不同形式浅埋建筑物比较，根据温度变化规律，分析构筑物间的热、力影响过程和程度，找出影响稳定性的关键因素，建立其热影响的定量关系。
第四章 多年冻土区浅埋建筑物的水平冻胀力有限元分析
（热-力耦合数学建模及数值分析）
土的冻结和融化直接是一个温度场变化的过程，然而由于冻土的特殊性，在冻结和融化过程中其内部温度场的改变会导致土中孔隙水发生迁移、应力状态发生变化以及土体产生变形。应力、含水量等诸多因素的改变会影响到冻土的热学性质，反过来又加剧了温度场变化的复杂性。这种发生在冻土中的水热力相互作用是冻胀、融沉等冻土特有自然现象产生的根本原因，因此对冻土水热力的相互作用及变化规律的研究在冻土学及冻土工程领域都具有重要的意义。
本章拟以在收集多年气象资料，准确拟合冻土温度边界条件基础上，忽略冻结过程中水分迁移作用，对冻土进行热-力两场耦合，使理论计算结果更接近实际状况。建立有限元模型进行理论分析，模拟不同条件下水平冻胀力的变化规律。
第五章 多年冻土区浅埋建筑物的水平冻胀力形成机理及特点分析
（数值模拟结果分析）
根据有限元模拟分析结果，总结分析浅埋构筑物水平冻胀力的形成机理及影
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响因素，提出寒区浅埋工程构筑物所受水平冻胀力的确定方法。
第六章 结论
5 研究理论依据与关键技术
土体冻结或冻土融化过程中，温度、水分、应力三场的相互作用是一个及其复杂的热力学、物理化学和力学的综合问题。地温降低→土体冻结→水分迁移并相变冻结→应力重分布→变形破坏，这一过程并不是这样单向进行的，而是相互作用和相互制约的综合效应的过程，这是冻土冻胀机理研究的难点。
通过研究热力学、热传导学，考虑温度场、应力场的耦合作用，确定浅埋建筑物冻胀计算模型理论，研究控制其变形的指标和措施。
研究浅埋构筑物水平冻胀力的形成机理及计算方法是本课题的关键技术。寒区浅埋工程构筑物水平冻胀力的发生机理及确定方法，近年来很少被关注，研究成果可以为寒区冻土力学的理论起到补充，同时为寒区工程结构物的抗冻设计提供依据。
6 研究方法与技术路线
本论文拟采用的技术方案为：针对多年冻土区路基排水渠道的冻害特征，以温度场变化为主线，以温度场、应力场耦合作用为分析依据，采用数值模拟的方法，总结病害及防治规律，提出有效的设计理论和防治冻害的方法。
首先通过大量阅读相关文献，学习、分析、总结、吸收以往研究成果，确定本研究方向的不足，并以此为切入点，结合具体工程进行系统研究分析。分析以数值模拟为主，归纳影响浅埋建筑物冻害的主要因素，并对影响因素进行系统总结，研究影响机理，寻求减小冻害的措施。
依据由简入繁的原则，根据研究的内容的侧重点，先单独研究冻土内温度场的变化规律，然后考虑温度与应力的相互作用建立热-力耦合模型。在数值模拟方面，本论文主要采用COMSOL有限元多物理场耦合分析软件。由于COMSOL具有灵活地自定义偏微分方程以及任意扩展物理场的特点，因此本项目所建立的数学模型和推导的数学表达式可以方便地应用该软件来模拟实际问题。
核心内容是建立有限元模型进行理论分析，模拟不同条件下水平冻胀力的变化规律。根据模拟分析结果，总结浅埋构筑物水平冻胀力的形成机理及影响因素，提出寒区浅埋工程构筑物所受水平冻胀力的确定方法。
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7 研究计划安排及工作量
1.论文工作量：论文预计4—5万字，工作时间约12个月。 2.论文预期进度： 序号 1 2 3 4 5 6 7 8
各阶段内容 文献阅读与综述，加强理论学习 确定研究思路，撰写开题报告并开题 系统分析相关因素，制定详细方案 形成论文框架结构 应用COMSOL软件进行数值模拟 分析模拟数据，完成论文核心部分 论文撰写，形成初稿 论文定稿，提交答辩 时间安排 2013.3-2013.6 2013.6-2013.7 2013.7-2013.9 2013.9-2013.10 2013.10-2014.2 2014.2-2014.3 2014.3-2014.4 2014.4-2014.5 备注 已完成 8 预期成果及形式
1、发表反映论文核心思想的期刊论文（核心期刊） 2、最终撰写出4—5万字左右的硕士论文。
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